linux 文件锁flock与fcntl bytes级别精细控制不再是困难

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文件锁

概述

前面博客介绍了多任务下互斥的方法，如信号量，互斥锁，管道，事件通知等等，这些可以对内存或者关键资源进行同步处理。
但是对于文件，有没有单独的方法呢？ 本文就来介绍文件锁，来避够文件的多任务下的写覆盖，脏读等问题。

文件锁模式介绍

建议锁

一般的互斥方法，如互斥锁，一个任务加锁后，另一个任务如果不调用加锁接口，直接访问共享资源，那么这就破坏了使用规则。

建议模式的文件锁效果也是类似，任何任务里面，需要调用加锁/解锁函数，才能达到互斥访问的保护，直接访问文件就会破坏规则。

这就是建议锁模式，基于大家的遵章守法基础上。

强制锁

那总一些例外，破坏规则的情况出现，为了防止此类现象，就有了强制锁模式。

也就是一个任务加了文件锁后，不管另一个任务有没有调用加锁函数，都受锁的保护。

文件锁接口介绍

flock

说明

flock函数，可以给文件加锁，锁与文件描述符关联。
有几个特点：

• 锁会在文件关闭时自动释放；
• flock是没有死锁检测，当重复调用加锁时，会用新的锁模式覆盖旧模式；
• 同一个文件不能同时加共享锁和互斥锁；
• 加锁时，文件的访问模式也要匹配
• flock只能作为建议锁模式使用

因为锁在文件描述符上，所以会有以下几种表现：

• 当父子进程间fork, dup等会复制文件描述，那么产生的fd就会有引用相同的锁记录；也就是使用相同的锁，这些fd任意加锁/解锁，相互之间都会感知；当所有这些文件fd关闭后，锁才会释放；
• 当多次调用open打开相同文件时，会产生不同的文件描述符，此时加锁，就是引用的不同的锁记录，就是不同的锁，相互之间是独立的。
• 在exec之后也会保留锁记录

函数头文件和介绍

#include <sys/file.h>
int flock(int fd, int operation);

• operation 取值说明：

1. LOCK_SH 共享锁，可以同一时段被多个任务持有；
2. LOCK_EX 互斥锁，同一时段只能有一个任务持有；
3. LOCK_UN 解锁；
4. LOCK_NB 默认是阻塞模式，此标志可以与上面两种锁模式 或，表示加共享锁或互斥锁时，不等待，变为非阻塞；

• 返回值

1. EBADF fd是无效的；
2. EINTR 当正在等待获取锁时，收到了一个signal，产生了中断；
3. EINVAL operation值是无效的；
4. ENOLCK 内核在分配lock record时，内存溢出了；
5. EWOULDBLOCK 非阻塞模式下，获取不到锁时返回；

NFS上的注意事项

在linux 内核版本 2.6.11之前，不支持在NFS上的加锁，也就是锁范围在本地系统内。

在2.6.12之后，NFS客户端支持flock来锁定全表，类似于fcntl锁定全表。也就是可以支持不同的文件系统。

代码演示

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/file.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define TRUE  11
#define FALSE 10


int trylock(int fd)
{
    
    
    if (flock(fd, LOCK_EX|LOCK_NB) == 0) {
    
    
        return TRUE;
    } else {
    
    
        return FALSE;
    }
}

int lock(int fd)
{
    
    
    if (flock(fd, LOCK_EX) == 0) {
    
    
        return TRUE;
    } else {
    
    
        return FALSE;
    }
}

int unlock(int fd)
{
    
    
    if (flock(fd, LOCK_UN) == 0) {
    
    
        return TRUE;
    } else {
    
    
        return FALSE;
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    
    
    int   fd;
    char file[] = "test";


    fd = open(file, O_RDWR|O_CREAT, 0666);
    if (fd < 0) {
    
    
        printf("failed to open \"%s\" %s\n",
                file, strerror(errno));
        return -1;
    }

    if(trylock(fd) == TRUE) 
    {
    
    
        printf("file has been locked by.\n ");
    } 
    else 
    {
    
    
        printf("waiting for lock\n");
        lock(fd);
    }
   
   sleep(1);

    unlock(fd);
    close(fd);

    return 0;
}

fcntl

介绍

fcntl函数支持非常广泛的功能，不同的cmd参数对应不同的功能。

用它作为文件锁来用，它也提供了几种形式的锁：

1. 文件记录锁
   这是一种基于低层来实现的，可以实现文件字节级别的加锁范围控制，同时它支持多进程，也就是多次open相同文件，使用的是相同的锁。

这里对于文件记录锁来讲，命令对应 F_SETLK, F_SETLKW, 和 F_GETLK 这三个，分别为加/解锁，阻塞式加锁，检测锁状态。
有几个注意事项：

• 如果没有释放文件记录锁，在进程结束时会自动释放； 其它进程就可以竞争锁；当然这有利也有弊；
• 进程记录锁，在fork时，不会被子进程继承； 但是可以在execv中传递；
• 有缓存的流，如stdin，因为缓存的存在，会有偏差，需要注意；
• 多线程间是共享同一个文件记录锁，也就是说多线程间不适合用文件记录锁；

2. 文件描述符锁
   这是一种非posix语义的方式，类似于flock，在文件描述符上加锁，但是这里可以对加锁范围进行控制。
   对于文件描述符锁，命令对应 F_OFD_SETLK, F_OFD_SETLKW, F_OFD_GETLK, 分别为加/解锁，阻塞式加锁，检测锁状态。

3. 强制锁
   这是一种需要文件系统支持的可选功能；在mount文件系统时，增加 -o mand 参数，然后采用fcntl使用上面两种锁进行加/解锁；
   在文件read/write时，都会受强制锁控制，而且时所有进程。
   注意事项：

• 此种锁也是非posix定义，所以并非所有linux版本支持；
• 内核也提出了警示，说此功能并不稳定； 而且因为很少用，计划有可能从内核取消此功能；

函数声明

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

对于文件锁来讲，函数变形为

int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);

文件记录锁

• cmd取值说明

F_SETLK 此时第三个参数为 struct flock 结构的指针，也就是前面介绍的文件锁；

• 当lock中的l_type 为 F_RDLCK或F_WRLCK时，获取读锁或读写锁，
• 当为F_UNLCK时，为释放锁；
• lock中的l_whence, l_start, l_len三个成员，指定加锁的范围；

F_SETLKW 此时第三个参数为 struct flock 结构的指针，也就是前面介绍的文件锁；当锁冲突时，会阻塞，直到获取到锁为止，或者遇到中断产生；lock的取值与F_SETLK一致；

F_GETLK 此时第三个参数为 struct flock 结构的指针，也就是前面介绍的文件锁；

• 如果当前文件没有加锁，此时 lock结构的l_type被置为 F_UNLCK，其它成员值不变；
• 当文件加锁，那么l_type, l_whence, l_start, l_len 被置为锁的信息
• 当文件加锁与进程相关，那么l_pid成员就是加锁的进程pid，否则为-1，即只与文件描述符相关；

NFS的注意事项

有发现在NFS存在锁丢失的情况，此时read/write都会产生EIO错误。
至少在linux 3.12 ,NFSv4 上发生过。
所以在网络文件系统上，要谨慎使用。

代码演示

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main(void)
{
    
    
	int fd ;
	struct flock lock;
	char buf[] = "hello world";

	fd = open("test", O_RDWR | O_CREAT, 0777);
	if (fd == -1)
	{
    
    
		printf("open failed\n");
		return -1;
	}


	lock.l_type = F_WRLCK;
	lock.l_whence = SEEK_SET;
	lock.l_start = 0;
	lock.l_len = 0;

	if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == -1)
	{
    
    
		printf("set lock failed\n");
		close(fd);
		return -1;
	}
	
	
	write(fd, buf, strlen(buf));
	
	lock.l_type = F_UNLCK;

	fcntl(fd, F_SETLK, &lock);

	close(fd);
	return 0;
}

结尾

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